Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials
SOWA
Volume 2 (8) 2012 Scientiic International Journal of the World Academy
of Materials and Manufacturing Engineering
publishing scientiic monographs in Polish or in English only
LIBRARY
Kształtowanie struktury i własności powierzchni stopów Mg-Al-Zn
Tomasz Tański
Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials Volume 2 (8) 2012 Scientiic International Journal of the World Academy
of Materials and Manufacturing Engineering
publishing scientiic monographs in Polish or in English only
International OCSCO World Press
Gliwice 44-100, Poland, ul. S. Konarskiego 18a/366 e-mail: info@openaccesslibrary.com
Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank Śląski
Bank addres: ul. Zwycięstwa 28, 44-100 Gliwice Poland Account number/ IBAN CODE: PL 76105012981000002300809767 Swift code: INGBPLPW
Prof. Gilmar Batalha – Brazil Prof. Emin Bayraktar – France Prof. Rudolf Kawalla – Germany Prof. Stanisław Mitura – Poland Prof. Jerzy Nowacki – Poland Prof. Ryszard Nowosielski – Poland Prof. Jerzy Pacyna – Poland
Prof. Zbigniew Rdzawski – Poland Prof. Maria Richert – Poland Prof. Maria Helena Robert – Brazil Prof. Mario Rosso – Italy Prof. Božo Smoljan – Croatia Prof. Mirko Soković – Slovenia Prof. Leszek Wojnar – Poland
Editor-in-Chief
Editorial Board
Patronage
Prof. Leszek A. Dobrzański–Poland
Abstracting services
Journal Registration
Journal is cited by Abstracting Services such as:
The Directory of Open Access Journals
The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland Institute of Engineering Materials and Biomaterials of the Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Association of Computational Materials Science and Surface Engineering World Academy of Materials and Manufacturing Engineering
This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by e-mail for this journal and in the promotion period also the full texts of monographs. You can register to Reading Direct at
www.openaccesslibrary.com
Reading Direct
Publisher
Kształtowanie struktury
i własności powierzchni
stopów Mg-Al-Zn
OPINIODAWCY:
Prof. dr hab. inż. Zbigniew Rdzawski (Instytut Metali Nieżelaznych w Gliwicach) Prof. dr hab. inż. Henryk Dybiec
(Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie)
ISSN 2083-5191
ISBN 987-83-63553-01-2 EAN 9878363553012
stopów Mg-Al-Zn
REDAKCJA TECHNICZNA:
Mgr inż. Justyna Hajduczek (Politechnika Śląska – Gliwice)
Streszczenie ... 5
Abstract ... 7
1. Wprowadzenie ... 9
2. Przegląd piśmiennictwa w zakresie technicznego ... 12
zastosowania stopów magnezu i ich obróbki powierzchniowej 2.1. Techniczne zastosowania stopów magnezu ... 12
i ich obróbka cieplna 2.2. Inżynieria powierzchni stopów magnezu ... 16
3. Zakres i teza prac� ... 34
3.1. Ustalenie zakresu pracy metodami badań ... 34
materiałoznawczo-heurystycznych 3.2. Teza i główne cele pracy ... 41
4. Materiał i metod�ka badań ... 44
4.1. Materiał do badań i technologie jego obróbki ... 44
4.2. Metody badawcze i modelowania własności ... 54
5. W�niki badań nad mechanizmami strukturaln�mi ... 63
dec�dując�mi o kształtowaniu struktur� stopów Mg-Al-Zn 5.1. Wyniki analizy termiczno-derywacyjnej stopów Mg-Al-Zn ... 63
5.2. Wpływ obróbki cieplnej na strukturę stopów Mg-Al-Zn ... 71
6. W�niki badań mechanizmów strukturaln�ch ... 80
dec�dując�ch o kształtowaniu struktur� warstw� wierzchniej stopów Mg-Al-Zn obrabian�ch powierzchniowo 6.1. Wpływ laserowej obróbki powierzchniowej na strukturę ... 80
warstw wierzchnich stopów Mg-Al-Zn 6.2. Struktura warstw powierzchniowych nanoszonych ... 93
metodami izycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD i PVD na stopach Mg-Al-Zn
Spis treści
7. W�niki badań własności mechanicznych i użytkowych ... 108 stopów Mg-Al-Zn obrobionych cieplnie i powierzchniowo
7.1. Wyniki badań własności mechanicznych ... 108 stopów Mg-Al-Zn
7.2. Wyniki badań własności użytkowych stopów Mg-Al-Zn ... 116 8. Przykłady wyników modelowania własności badanych ... 126
stopów Mg-Al-Zn z wykorzystaniem narzędzi sztucznej inteligencji
8.1 Aplikacje komputerowej nauki o materiałach ... 126 w odniesieniu do obróbki cieplnej stopów Mg-Al-Zn
8.2 Aplikacje komputerowej nauki o materiałach ... 131 w odniesieniu do obróbki powierzchniowej stopów Mg-Al-Zn 9. Podsumowanie i wnioski ... 139 Literatura ... 149
stopów Mg-Al-Zn
Kszta Žtowanie struktury i wŽasnoWci powierzchni stopów Mg-Al-Zn
Tomasz TaMski
Instytut MateriaŽów Incynierskich i Biomedycznych, Politechnika Vl>ska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Polska
Adres korespondencyjny e-mail: tomasz.tanski@polsl.pl
Streszczenie
Cel: Celem niniejszej monografii jest prezentacja wyników badaM wŽasnych dotycz>cych obróbki cieplnej i powierzchniowej stopów magnezu Mg-Al-Zn oraz modelowania ich wŽasnoWci z wykorzystaniem narzCdzi sztucznej inteligencji. Stopy magnezu, stanowi>ce poŽ>czenie niskiej gCstoWci i ducej wytrzymaŽoWci, s> coraz chCtniej stosowane tam, gdzie obnicenie masy elementów podzespoŽów jest istotne, poc>dane i opŽacalne. W celu poprawy ich wŽasnoWci ucytkowych zastosowano obróbkC laserow>, a w szczególnoWci laserowe przetapianie i wtapianie w ich powierzchniC twardych cz>stek ceramicznych oraz technologie chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej CVD i PVD.
Projekt/metodologia/podejWcie: Badania opisywane w ksi>cce dotycz> w pierwszej kolejnoWci analiz heurystycznych z wykorzystaniem metodologii zintegrowanego komputerowo progno- zowania, umocliwiaj>cych wytyczenie prognozowanych trendów rozwojowych analizowanych grup materiaŽów i technologii ich obróbki powierzchniowej oraz okreWlenie ich pozycji strategicznej na tle innych grup materiaŽów i technologii incynierii powierzchni. Kolejny etap badaM prezentuje analizC szybkoWci chŽodzenia oraz stCcenia masowego aluminium na kinetykC przemian fazowych zachodz>cych podczas procesu krystalizacji z wykorzystaniem analizy termiczno-derywacyjnej. Ponadto prezentowane wyniki badaM dotycz> charakterystyki synergicznego oddziaŽywanie obróbki cieplnej i powierzchniowej na strukturC i wŽasnoWci odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn. ObróbkC powierzchniow> stopów magnezu wykonano przy wykorzystaniu metod chemicznego i fizycznego osadzania z fazy gazowej PA CVD i CAE PVD oraz laserowej obróbki powierzchniowej, w tym w szczególnoWci laserowego wtapiania twardych cz>stek ceramicznych w powierzchniC wytwarzanych materiaŽów umocliwiaj>cej wytworzenie struktury quasi-kompozytowej MMCs (ang.: Metal Matrix Composites). Badania struktury powierzchni i struktury wewnCtrznej materiaŽów metodami makro- i mikroskopowymi wykonano z wykorzystaniem mikroskopii Wwietlnej, transmisyjnej i skaningowej mikroskopii elektronowej oraz spektrometrii ramanowskiej i rentgenowskiej analizy fazowej. WŽasnoWci fizyczne oraz mechaniczne stopów magnezu po okreWlonych operacjach obróbki cieplnej i powierzchniowej badano stosownymi do wŽasnoWci
metodami. Ostatni etap badaM dotyczyŽ modelowania numerycznego zalecnoWci pomiCdzy warunkami opisywanych metod obróbki powierzchniowej, a wŽasnoWciami mechanicznymi i ucytkowymi badanych stopów z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych.
Osi>gniCcia: Zasadniczym osi>gniCciem naukowym Autora jest opracowanie oryginalnych wyników badaM struktury i wŽasnoWci stopów Mg-Al-Zn, wartoWciowych zarówno pod wzglCdem poznawczym jak i aplikacyjnym, skoncentrowanych gŽównie na analizie mechanizmów strukturalnych wystCpuj>cych w trakcie obróbki cieplnej i powierzchniowej i ich wpŽywu na wŽasnoWci badanych stopów.
Ograniczenia badaM/zastosowaM: Pomimo faktu, ce monografia przedstawia obszerny i nowo- czesny obszar badawczy zaprezentowane wyniki badaM dotycz> jedynie wybranej grupy stopów magnezu, tj. Mg-Al-Zn oraz ich metodyki badawczej.
Praktyczne zastosowania: Celowy wybór materiaŽu zgodny z aktualnym zapotrzebowaniem rynkowym skorelowany z procesami ksztaŽtuj>cymi strukturC i wŽasnoWci rdzenia oraz z techno- logiami incynierii powierzchni zapewniaj>cymi wymagane wŽasnoWci mechaniczne i ucytkowe warstwy wierzchniej elementu, w tym równiec analizowane w rozprawie technologie laserowe oraz techniki fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej pozwalaj> na modelowanie nowatorskich rozwi>zaM incynierskich i w Wlad za tym wytwarzanie materiaŽów dotychczas nie dostCpnych dla technologii postrzeganych, jako tradycyjne.
OryginalnoW5/wartoW5: OryginalnoW5 niniejszego opracowania polega na prezentacji bardzo obszernej wiedzy zwi>zanej z metodami ksztaŽtowania struktury i wŽasnoWci powierzchni stopów Mg-Al-Zn popartej wynikami szerokich badaM wŽasnych, które w caŽej rozci>gŽoWci pozwalaj>
na stwierdzenie, ce udowodniona zostaŽa teza rozprawy. WŽaWciwa interpretacja wzajemnych zalecnoWci pomiCdzy wŽasnoWciami i struktur> warstwy wierzchniej i podŽoca oraz otaczaj>cym Wrodowiskiem pozwala w szerszej perspektywie dokona5 analizy i precyzyjnej identyfikacji mechanizmów niszczenia, jakie wystCpuj> zarówno na powierzchni jak i w rdzeniu materiaŽu.
Kluczowym zagadnieniem wydaje siC by5 równiec zapewnienie jednoczesnego rozwoju zarówno technologii wytwarzania i obróbki konstrukcyjnych materiaŽów lekkich, w tym w szczególnoWci stopów Mg-Al-Zn oraz technologii ksztaŽtowania i zabezpieczania ich powierzchni, co w konsekwencji pozwoli na zachowanie równowagi pomiCdzy nowoczesnym materiaŽem podŽoca i powŽok> nowej generacji.
SŽowa kluczowe: Incynieria materiaŽowa; Incynieria powierzchni; Odlewnicze stopy magnezu;
Foresight technologiczny; Analiza termiczna; Obróbka cieplna; Warstwy powierzchniowe CVD i PVD; Laserowa obróbka powierzchni; Komputerowa nauka o materiaŽach; Struktura;
WŽasnoWci mechaniczne; WŽasnoWci ucytkowe
Cytowania tej monografii powinny by5 podane w nastCpuj>cy sposób:
T. TaMski, KsztaŽtowanie struktury i wŽasnoWci powierzchni stopów Mg-Al-Zn, Open Access Library, Volume 2 (8) (2012) 1-158.
Forming the structure and surface properties of Mg-Al-Zn alloys
Tomasz TaMski
Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland
Corresponding e-mail address: tomasz.tanski@polsl.pl
Abstract
Purpose: The purpose of this monograph is to present the results of the author’s own tests concerning thermal and surface processing of magnesium alloys Mg-Al-Zn and modelling their properties with the use of artificial intelligence tools. The magnesium alloys being the combination of low density and high strength are more and more frequently applied wherever the reduction of subassembly mass is significant, desired and feasible. To improve their usable properties, laser processing has been used, particularly laser remelting and fusion of hard ceramic particles in them as well as technologies of chemical and physical sedimentation from CVD and PVD gas phase.
Project/methodology/approach: The tests described in the book in the first place concern heuristic analyses with the application of computer integrated programming methodology, enabling marking the forecast development trends of the analysed groups of materials and their surface processing technology. Another stage of the tests presents the analysis of cooling rate and aluminium mass concentration on the kinetics of phase transformations taking place during the crystallisation with the use of thermal-derivative analysis. Moreover, the test results presented concern the characteristics of synergic thermal and surface processing impact on the structure and properties of cast magnesium alloys Mg-Al-Zn. The surface processing of the magnesium alloys was carried out with the use of chemical and physical sedimentation methods from PA CVD and CAE PVD gas phase and laser surface processing, including in particular laser fusion of hard ceramic particles into the surface of materials produced, enabling the production of a quasi-composite j MMCs (Metal Matrix Composites) structure.
The tests of the surface and internal structure of materials with the use of macro- and microscopic methods were made with the use of light, transmission and scanning electron microscopy and Raman spectrometry and X-ray phase analysis. The physical and mechanical properties of magnesium alloys after the specified thermal and surface processing operations were tested by methods appropriate for the properties. The last stage of tests concerned numerical modelling of the dependencies between the surface processing methods conditions
described and the mechanical and usable properties of the alloys tested, with the use of artificial neural networks.
Achievements: The principal research achievement of the Author is the development of original test results of the structure and properties of Mg-Al-Zn alloys, both cognitively and in terms of their applicability, mainly focused on the analysis of the structural mechanisms occurring during thermal and surface processing and their impacts on the properties of the tested alloys.
Research limitations/implications: In spite of the fact that the monograph presents an extensive and modern research area, the test results presented concern a selected group of magnesium alloys only, i.e. Mg-Al-Zn and their testing methodology.
Practical implications: The purposeful selection of the material in line with the current market demand, correlated with the processes forming the structure and properties of the core and with surface engineering technologies, providing the required mechanical and usable properties of the surface layer of and element, including the laser technologies analysed in the dissertation and techniques of physical and chemical sedimentation from the gas phase, enable the modelling of innovative engineering solutions and, in consequence, production of materials so far unavailable for technologies perceived as traditional.
Originality/value: The originality of this paper consists in the presentation of a very extensive knowledge related to the methods of forming the structure and properties of the surface of Mg-Al-Zn alloys, supported by the results of wide author’s research that totally enable the statement that the thesis of the paper has been proven. The proper interpretation of the mutual correlations between the properties and structure of the surface layer and substructure and the surrounding environment enables a more extensive analysis and precise identification of the mechanisms of destruction that occur both on the surface and in the core of the material.
The key question here seems to be also the provision of simultaneous development of both production technology and processing of the light construction materials, including in particular Mg-Al-Zn alloys and technology of forming and protecting their surface, which in consequence shall enable the maintenance of balance between the modern substructure material and new generation coating.
Keywords: Material engineering; Surface engineering; Cast magnesium alloys; Technological Foresight; Thermal analysis; Thermal processing; CVD and PVD surface layers; Laser surface processing; Computer science about materials; Structure; Mechanical properties;
Usable properties
Reference to this monograph should be given in the following way:
T. TaMski, Forming the structure and surface properties of Mg-Al-Zn alloys, Open Access Library, Volume 2 (8) (2012) 1-158.
1. Wprowadzenie
WspóŽczesny rozwój techniki stwarza koniecznoW5 szukania nowych rozwi>zaM konstrukcyjnych, zmierzaj>cych do poprawy efektywnoWci i jakoWci produktu, do minimalizacji wymiarów, a takce do zwiCkszenia niezawodnoWci i stabilnoWci wymiarowej w warunkach eksploatacji. Wybór materiaŽu poprzedzony jest zawsze analiz> wielu czynników obejmuj>cych wymagania: mechaniczne, fizykochemiczne, projektowe, Wrodowiskowe, dotycz>ce kosztu, dostCpnoWci i masy. Problem nieuzasadnionej masy w znacznym stopniu weryfikuje mocliwoWci zastosowania poszczególnych grup materiaŽów. Dlatego tec w ci>gu ostatnich kilku dekad znacz>co wzrosŽo zapotrzebowanie na materiaŽy o maŽej gCstoWci i relatywnie ducej wytrzymaŽoWci, tj. stopy tytanu, aluminium oraz magnezu.
Z wymienionej grupy materiaŽów na szczególn> uwagC zasŽuguj> stopy magnezu, które oprócz niewielkiej gCstoWci wykazuj> takce inne korzyWci, takie jak dobra zdolnoW5 do tŽumienia drgaM, najlepsza spoWród wszystkich znanych obecnie materiaŽów konstrukcyjnych, wysoka stabilnoW5 wymiarowa, dobra lejnoW5, maŽy skurcz odlewniczy, poŽ>czenie niskiej gCstoWci i ducej wytrzymaŽoWci, mocliwoW5 zastosowania na elementy maszyn pracuj>ce w temperaturze nawet do 300°C oraz ŽatwoW5 poddawania recyklingowi. Wysoka zdolnoW5 do tŽumienia drgaM oraz relatywnie niska masa umocliwiaj> zastosowanie stopów magnezu na szybko poruszaj>ce siC elementy w przypadkach, gdy pojawiaj> siC gwaŽtowne zmiany prCdkoWci.
Niemniej jednak niekwestionowan> zalet> magnezu jest przede wszystkim jego niewielka gCstoW5 (1,7 g/cm3), która jest o okoŽo 35% mniejsza od gCstoWci aluminium (2,7 g/cm3) i ponad czterokrotnie mniejsza od gCstoWci stali (7,86 g/cm3).
Obecnie okoŽo 70% odlewów ze stopów magnezu przeznaczonych jest dla przemysŽu samochodowego. W przypadku Wrodków transportu, generaln> zasad> jest obnicenie masy pojazdów ze wzglCdu na oszczCdnoW5 paliwa. Wraz z obniceniem masy poprawiaj> siC parametry jezdne, zwi>zane gŽównie z ich dynamik>. Potrzeba obnicenia podstawowej masy pojazdów staje siC tym bardziej istotna, ce coraz wiCcej Wrodków transportowych wyposaconych jest w akcesoria dodatkowe (np.: poduszki powietrzne, systemy kontroli trakcji i parkowania) zwiCkszaj>ce ich masC, które maj> na celu nie tylko poprawC bezpieczeMstwa jazdy, ale i podniesienie atrakcyjnoWci ucytkowej tych pojazdów.
Stopy magnezu znalazŽy zastosowanie nie tylko w przemyWle samochodowym, ale równiec w produkcji helikopterów, samolotów, czytników dysków, telefonii komórkowej, komputerów,
czCWci rowerowych, sprzCtu gospodarstwa domowego i biurowego, aeronautyce i radiote- chnice, w przemyWle chemicznym, energetycznym, wŽókienniczym a nawet nuklearnym.
Tendencje wzrostu produkcji stopów magnezu, wskazuj> na wzmocon> potrzebC ich zasto- sowania w Wwiatowym przemyWle konstrukcyjnym, co za tym idzie stopy magnezu stan> siC jednym z najczCWciej stosowanych materiaŽów konstrukcyjnych naszego stulecia. WedŽug statystyk firmy Hydro Magnesium produkcja odlewów ze stopów magnezu wzrastaŽa w latach 1993-2003 w przebiegu parabolicznym do blisko 180 000 ton, a znacz>cy udziaŽ w tym wzroWcie (ok. 80 000 ton) miaŽa Europa. Dane opublikowane przez US Geological Survey wskazuj>, ce pierwotna produkcja magnezu w roku 2011 wyniosŽa w Chinach 670 tysiCcy ton, w Stanach Zjednoczonych ok. 63 tysi>ce ton, w pozostaŽych krajach ok. 110 tysiCcy ton [1].
Niemniej jednak oprócz wycej wymienionych zalet stopy magnezu posiadaj> równiec wady, wWród których najczCWciej wymienia siC sŽab> odpornoW5 korozyjn> oraz trybologiczn> tych materiaŽów. Aby temu skutecznie przeciwdziaŽa5 nalecy szuka5 alternatywnych technologii, w szczególnoWci z zakresu incynierii powierzchni umocliwiaj>cych podwycszenie wŽasnoWci stopów magnezu, a tym samym podniesienie progu ich atrakcyjnoWci aplikacyjnej. Perspekty- wicznym rozwi>zaniem, co równiec dowiedziono na podstawie benchmarkingu proceduralnego [2-4], jest obróbka laserowa, a w szczególnoWci laserowe przetapianie i wtapianie w powierzchniC materiaŽów magnezowych, twardych cz>stek ceramicznych oraz technologie fizycznego i chemi- cznego osadzania z fazy gazowej PVD i CVD, bCd>ce alternatyw> dla stosowanych technik natryskiwania cieplnego lub technik ochrony anodowej [5-8].
Badania w zakresie obróbki cieplnej oraz obróbki powierzchniowej wykonano na przestrzeni wielu lat w zakresie badaM wŽasnych [3, 4, 9-54] oraz dwóch projektów badawczych, tj. roz- wojowego: „ZwiCkszenie wŽasnoWci ucytkowych elementów z odlewniczych stopów lekkich magnezu i aluminium obrobionych cieplnie przez optymalizacjC ich skŽadu chemicznego oraz laserowe przetapianie i/lub stopowanie powierzchni wCglikami i/lub cz>stkami ceramicznymi”
[9-37] i „KsztaŽtowanie wŽasnoWci ucytkowych elementów ze stopów metali lekkich poprzez nanoszenie hybrydowych powŽok PVD zŽoconych z gradientowej warstwy przejWciowej oraz wieloskŽadnikowej warstwy zewnCtrznej” [38-54], w których autor peŽni/Ž rolC odpowiednio gŽównego wykonawcy i kierownika zespoŽu wykonawczego oraz kierownika projektu.
W wyniku odpowiedniego doboru materiaŽu na poszczególne elementy wraz z technologiami ksztaŽtuj>cymi strukturC i wŽasnoWci stopu oraz jego warstwy powierzchniowej, zapewniaj>cej wymagane wŽasnoWci ucytkowe, szczegóŽowo opisane w rozdziaŽach 5-7, mocliwe jest uzyskanie
najkorzystniejszego zestawienia wŽasnoWci rdzenia i warstwy wierzchniej wytworzonego elementu, co w konsekwencji prowadzi do zaprojektowania i dostarczenia materiaŽu speŽniaj>cego wszystkie wymagania postawione mu przez konsumenta.
Celem niniejszej pracy jest zbadanie mocliwoWci zastosowania technik PVD, CVD i obróbki laserowej odlewniczych stopów magnezu oraz dobór warunków technologicznych i wyjaWnienie mechanizmów powoduj>cych poprawC wybranych wŽasnoWci ucytkowych tych stopów w wyniku wytypowanych procesów obróbki powierzchniowej.
2. Przegl>d piWmiennictwa w zakresie technicznego
zastosowania stopów magnezu i ich obróbki powierzchniowej
2.1. Techniczne zastosowania stopów magnezu i ich obróbka cieplna
Stopy magnezu, które z powodzeniem od dawna stosowane s> w rócnych gaŽCziach przemysŽu cechuj> siC poŽ>czeniem niskiej gCstoWci i ducej wytrzymaŽoWci co powoduje, ce s>
coraz chCtniej stosowane, jeceli obnicenie masy elementów i podzespoŽów (przy jednoczesnym zachowaniu wymaganych wŽasnoWci mechanicznych), jest istotne, poc>dane i opŽacalne.
Nie nalecy jednak zapomina5, ce projektowanie elementów ze stopów magnezu narzuca ograniczenia zwi>zane z ich niewielk> odpornoWci> korozyjn> i trybologiczn> oraz konie- cznoWci> stosowania w czasie wytwarzania (topienia, odlewania lub tec skrawania), inhibitorów pozwalaj>cych na obnicenie ich wzmoconej aktywnoWci z tlenem. Technologie topienia i odlewania stopów magnezu, w porównaniu do technologii topienia i odlewania równie popularnych stopów aluminium lub cynku, mocna uzna5 za bardziej skomplikowane, przede wszystkim poniewac temperatura odlewania stopów magnezu jest zacznie wycsza od temperatury, w której nastCpuje ich samozapŽon, a powstaj>ca warstwa tlenu tworz>ca siC na powierzchni stopionej cieczy metalicznej nie tworzy szczelnej bariery zabezpieczaj>cej metal przed dalszym utlenianiem [55-62]. Wynika to z mniejszej objCtoWci molowej tlenku magnezu powstaj>cego na powierzchni utleniaj>cego siC materiaŽu od równowacnej objCtoWci molowej stopu magnezowego (wspóŽczynnik Pilling-Bedworth wynosi 0,81) [62].
Stopy magnezu w zdecydowanej wiCkszoWci s> materiaŽami odlewniczymi, wWród których najstarsze i najbardziej rozpowszechnione s> stopy Mg-Al, zawieraj>ce ponadto takie pierwiastki, jak cynk, mangan i krzem, charakteryzuj>ce siC szerokim zakresem roztworu staŽego, co korzystnie wpŽywa na ich wŽasnoWci (rys. 1). Magnez tworzy z aluminium ukŽad fazowy z eutektyk> o stCceniu 32,3% Al w temperaturze 437ºC (rys. 1). Eutektyka skŽada siC z roztworu staŽego g i fazy miCdzymetalicznej i/Og39Cl34 o stCceniu 40,2% Al. Graniczna rozpuszczalnoW5 aluminium w magnezie wynosi 12,7% w temperaturze eutektycznej, malej>c znacznie wraz z obnicaniem temperatury do 1,5% w temperaturze pokojowej [56, 58, 60, 61]. Aluminium wpŽywa na zwiCkszenie twardoWci, wytrzymaŽoWci na rozci>ganie i wydŽucenie stopów magnezu. Wraz ze zwiCkszaniem siC stCcenia Al wzrasta takce granica plastycznoWci oraz lejnoW5 (przy stCceniu ok. 10% Al stopy magnezu charakteryzuj> siC bardzo dobr> lejnoWci>).
Rysunek 1. Wykres równowagi fazowej Mg-Al [60]
Aluminium ponadto zmniejsza skurcz odlewniczy, ale powoduje kruchoW5 na gor>co.
Cynk jest drugim po aluminium skŽadnikiem, maj>cym najwiCkszy wpŽyw na wŽasnoWci stopów magnezu. Podobnie jak Al, powoduje zwiCkszenie wytrzymaŽoWci i granicy plastycznoWci stopów magnezu, lecz tylko w obecnoWci Al i Mn [55-62]. Stopy o stCceniu ok.
3% cynku charakteryzuj> siC bardzo dobr> lejnoWci>, natomiast wiCksze stCcenie Zn powoduje kruchoW5 na gor>co, obnicenie wydŽucenia oraz wystCpowanie mikroporowatoWci. Cynk rozpuszcza siC w magnezie oraz wchodzi takce w skŽad fazy i/Mg17Al12 umacniaj>cej stopy Mg-Al-Zn. Pozycje wCzŽowe Al w tej fazie mog> by5 czCWciowo zastCpowane przez Zn i st>d w niektórych publikacjach podawane jest oznaczenie fazy i jako Mg17(Al,Zn)12 [63-65]. Wraz z cynkiem moce by5 takce dodawany cyrkon, metale ziem rzadkich lub tor do wytwarzania umacnianych wydzieleniowo stopów, wykazuj>cych wysok> wytrzymaŽoW5. Ponadto dodatek cynku poprawia równiec odpornoW5 korozyjn> stopów Mg w sŽonej wodzie.
Mangan, który jako podstawowy skŽadnik wystCpuje prawie we wszystkich stopach magnezu, dodawany jest w stCceniu do okoŽo 2,5%, chociac stopy zawieraj>ce Mn rzadko
zawieraj> ponad 1,5% tego pierwiastka. Mangan nie ma wielkiego wpŽywu na wytrzymaŽoW5 na rozci>ganie (wzrost nastCpuje przy stCceniu ponad 1,5%), ale poprawia nieznacznie granicC plastycznoWci [55-62]. Jego najwacniejsz> funkcj> jest zwiCkszenie odpornoWci na korozjC stopów Mg-Al-Zn w sŽonej wodzie, poniewac ogranicza niekorzystny wpŽyw celaza, które jest przyczyn> korozji. W stopach Mg-Al mangan wchodzi w skŽad rócnych faz miCdzy- metalicznych, tj.: MnAl4, Al8Mn5, Al11Mn4, Al5Mg11Zn4, których twardoW5 wzrasta wraz z udziaŽem Al. Umocliwia takce spawanie stopów Mg.
Kolejnym pierwiastkiem stopowym wchodz>cym w skŽad stopów Mg-Al jest krzem dodawany w celu poprawy lejnoWci materiaŽu w stanie roztopionym. Jednak zmniejsza odpornoW5 na korozjC, jeceli w stopie wystCpuje dodatek celaza. Wzrost stCcenia krzemu powoduje znaczne obnicenie wydŽucenia wzglCdnego, dlatego tec ogranicza siC je do 0,3% [55-62].
W stopach Mg-Al-Zn krzem wchodzi w skŽad fazy"Laves’a Mg2Si [12, 14].
Podatne na starzenie stopy Mg-Al-Zn charakteryzuj> siC struktur> roztworu staŽego g-Mg, mieszaniny eutektycznej g+i oraz wydzieleniami miCdzymetalicznej fazy i/Mg17Al12." Faza""
i" tworzy siC na granicach ziarn roztworu staŽego, najczCWciej podczas odlewania do formy piaskowej lub kokilowej, przy maŽej szybkoWci chŽodzenia. Wycarzanie lub przesycanie w temperaturze ok. 430ºC powoduje caŽkowite lub czCWciowe rozpuszczenie fazy i, która po kolejnym przesycaniu i starzeniu moce spowodowa5 znaczne umocnienie wydzieleniowe stopu bez pojawienia siC stref GP lub faz poWrednich [12, 29, 56, 61].
Grupa stopów Mg, w których gŽównym dodatkiem jest Al, charakteryzuje siC nisk>
cen>, dobr> wytrzymaŽoWci> i plastycznoWci> oraz zadawalaj>c> odpornoWci> korozyjn>
w wybranych Wrodowiskach korozyjnych takich, jak aceton, benzol, eter, benzyna, mydŽa, wodorotlenek sodu lub potasu. Powszechnie stosowane stopy w tej grupie to EN-MCMgAl6Zn1, EN-MCMgAl8Zn1, EN-MCMgAl9Zn1 i EN-MCMgAl10Mn. NajwiCksze znaczenie, przekŽadaj>ce siC bezpoWrednio na najczCstsze aplikacyjne zastosowania (motoryzacja, sport, sprzCt elektroniczny, obudowy, osŽony, elementy piŽ ŽaMcuchowych, narzCdzia rCczne, wyposacenie domowe) przypisuje siC stopowi EN-MCMgAl9Zn1 odlewanemu ciWnieniowo. Wersja tego stopu o wysokiej czystoWci z indeksem-(HP) charakteryzuje siC wysok> odpornoWci> korozyjn>, dobr> lejnoWci> i wysok> wytrzymaŽoWci>
[14, 56, 60, 62, 66]. Oprócz wycej wymienionych stopów popularnoW5 zyskaŽy równiec stopy EN-MCMgAl5Mn(HP) i EN-MCMgAl6Mn(HP) charakteryzuj>ce siC wysok> odpornoWci>
korozyjn>, znacznym wydŽuceniem przy wysokiej wytrzymaŽoWci oraz dobr> lejnoWci>.
S> czCsto stosowane w przemyWle motoryzacyjnym m.in. na siedzenia, kierownice, tablice rozdzielcze, wentylatory [56, 59, 67-69]. Powacnym ograniczeniem mocliwoWci technolo- gicznych stopów z grupy Mg-Al-Zn i Mg-Al-Mn jest obnicenie wŽasnoWci mechanicznych tych stopów w zakresie temperatury od 120 do 130ºC. Przyczyna takiego stanu upatrywana jest w peŽzaniu zwi>zanym z odksztaŽceniem plastycznym spowodowanym gŽównie przez poWlizg po granicach ziarn [59, 70, 71].
W celu poprawy wŽasnoWci mechanicznych i ucytkowych stopów Mg-Al-Zn oraz zmiany ich struktury w wyniku obróbki cieplnej wykorzystuje siC zmianC rozpuszczalnoWci skŽadników w stanie staŽym i wydzielanie siC faz o ducej twardoWci. Dodawanie pierwiastków stopowych do magnezu powoduje tworzenie siC roztworów granicznych o malej>cej rozpuszczalnoWci wraz z obniceniem temperatury. Obróbka cieplna odlewniczych stopów magnezu gŽównie polega na [56, 61, 72-74]:
‚ wycarzaniu ujednorodniaj>cym,
‚ wycarzaniu odprCcaj>cym,
‚ wycarzaniu rekrystalizuj>cym,
‚ utwardzaniu wydzieleniowym.
Zasadniczo utwardzanie wydzieleniowe polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze ok. 345-420°C w ci>gu 16-20 h i nastCpnym chŽodzeniu w powietrzu lub w wodzie, podczas którego nastCpuje przesycanie roztworu staŽego skŽadnikami stopowymi. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturC jednofazow>. NastCpnie wykonuje siC starzenie w temperaturze 150-200°C, nicszej od linii „solvus” granicznej rozpuszczalnoWci, w ci>gu 12-16 h, co ma na celu wydzielenie z roztworu fazy umacniaj>cej (rys. 2) [56, 61]. Podwycszanie temperatury starzenia nie jest zalecane ze wzglCdu na mocliwoW5 nadmiernej koagulacji wydzielonych cz>stek. Przesycanie i starzenie odlewniczych stopów przyczyniaj> siC do zwiCkszenia ich wŽasnoWci wytrzymaŽoWciowych, granicy plastycznoWci i twardoWci przy nieznacznym spadku wydŽucenia [72, 73].
Stopy Mg-Al-Zn stanowi> tylko jedn> z piCciu podstawowych grup stopów magnezu, które s> aktualnie produkowane w celach komercyjnych. Zainteresowanie tymi materiaŽami w obszarze poznawczym jak i aplikacyjnym wynika gŽównie z ich niewielkiej masy, stanowi>cej podstawC doboru odpowiedniego skŽadu chemicznego i technologii ich obróbki. Obecnie produkcja stopów magnezu skupia siC na wytwarzaniu nowoczesnych wysokowytrzymaŽych stopów miCdzy innymi z dodatkiem Zr, Ce i Cd, RE stopów bardzo lekkich z Li (stosowanych
"
Rysunek 2. Schemat zmian struktury stopu podczas utwardzania wydzieleniowego [75]
w konstrukcjach lotniczych i pojazdach kosmicznych) oraz stopów z odpowiednio uksztaŽtowan>
warstw> powierzchniow> wyznaczaj>c> nowe dotychczas nie osi>galne zastosowania [60, 61, 76].
2.2. Incynieria powierzchni stopów magnezu
Rosn>ce tendencje do coraz szerszego wykorzystania stopów magnezu motywuj>
Wrodowiska naukowe i badawcze do wzmoconej pracy w poszukiwaniu nowych rozwi>zaM w zakresie nie tylko incynierii wytwarzania, ale równiec, a moce szczególnie w obszarze incynierii powierzchni umocliwiaj>cej uzyskanie na powierzchni obrabianych materiaŽów nowej generacji warstw zdolnych sprosta5 zwiCkszonym wymaganiom stawianym przez producentów, a finalnie równiec odbiorców. W ostatnich latach w szczególnoWci wzrosŽo zapotrzebowanie na nowoczesne metody obróbki powierzchniowej umocliwiaj>ce poprawC wŽasnoWci mechanicznych i ucytkowych warstwy wierzchniej stopów magnezu. Tak duce zainteresowanie incynieri> powierzchni stopów magnezu przyczyniŽo siC z kolei do opracowania
szerokiego wachlarza dostCpnych obecnie rodzajów powŽok oraz technologii ich nanoszenia.
WŽasnoWci ucytkowe wielu produktów i ich elementów zalec> nie tylko od mocliwoWci przeniesienia obci>ceM mechanicznych przez caŽy czynny przekrój elementu, najczCWciej obrabianego cieplnie, lub od jego wŽasnoWci fizykochemicznych, lecz bardzo czCsto takce lub gŽównie od struktury i wŽasnoWci warstw powierzchniowych. Stosowane techniki incynierii powierzchni pozwalaj> w precyzyjny i kompleksowy sposób zaprojektowa5 najkorzystniej zestawione wŽasnoWci rdzenia i warstwy wierzchniej wytworzonego elementu. Nalecy spodziewa5 siC, ce nowoczesne technologie incynierii powierzchniowej, w tym w szczególnoWci techniki laserowe oraz metody nanoszenia cienkich powŽok z twardych, odpornych na zucycie Wcierne i korozyjne materiaŽów powinny jednoczeWnie zapewnia5 oprócz wymaganych wŽasnoWci ucytkowych (warstwa powierzchniowa nie moce ulega5 rozszczepieniu, pCkaniu ani rozwarstwieniu, powinna by5 mocliwie homogeniczna i szczelnie pokrywa5 powierzchniC, by5 trwaŽa i funkcjonalna), mocliwoW5 ksztaŽtowania walorów estetycznych, przy niezaprzeczalnie wacnym aspekcie ekologicznym.
SpoWród wielu technik zwiCkszaj>cych trwaŽoW5 stopów magnezu, istotn> rolC w praktyce przemysŽowej i laboratoryjnej odgrywaj> technologie laserowe z wykorzystaniem laserów ducej mocy, metody fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej PVD (ang. Physical Vapour Deposition) i CVD (ang. Chemical Vapour Deposition) oraz metody hybrydowe, nazywane równiec multipleksowymi, umocliwiaj>ce peŽn> kontrolC nad skŽadem, struktur>
i wŽasnoWciami, wykorzystuj>ce charakterystyczne cechy poszczególnych metod, m.in. CVD i PVD oraz konwencjonalnej obróbki cieplno-chemicznej.
Obróbka powierzchniowa wytwarzanych elementów przy ucyciu aródŽa jakim jest laser jest w dzisiejszych czasach technologi> aktualn> i bardzo powszechn> ze wzglCdu na swoje wydawaŽoby siC nieograniczone mocliwoWci, jak np. duca oszczCdnoW5 materiaŽów, dokŽadnoW5 obróbki, znacz>ca poprawa wŽasnoWci obrabianych materiaŽów, mocliwoW5 zastosowania peŽnej automatyzacji, itp. Obecnie wiele dziedzin nauki i techniki korzysta z mocliwoWci jakie niesie ze sob> ucycie lasera, jak na przykŽad: technologie materiaŽowe (obróbka powierzchniowa), precyzyjne pomiary i pozycjonowanie, sterowanie prac> maszyn, medycyna (chirurgia i bio- stymulacja), techniki wojskowe, holografia, telekomunikacja optyczna i wiele innych.
Na szczególn> uwagC wWród wycej wymienionych zasŽuguje powierzchniowa obróbka laserowa rócnorodnych materiaŽów, w tym równiec stopów metali lekkich magnezu i aluminium, która umocliwia miCdzy innymi wytworzenie warstwy wierzchniej o gruboWci od dziesiCtnych
czCWci milimetra do kilku milimetrów i o specjalnych wŽasnoWciach ucytkowych, o ducej twardoWci oraz odpornoWci na Wcieranie, jednoczeWnie przy zachowaniu niezmiennych wŽasnoWci materiaŽu podŽoca. Przy wŽaWciwym doborze warunków obróbki elementy mog> by5 wykonane „na gotowo”, bez koniecznoWci dalszej obróbki wykoMczaj>cej. DziCki bardzo precyzyjnemu dostarczaniu energii (promieniowanie wi>zki laserowej jest absorbowane wewn>trz kilku pierwszych warstw atomowych), bezkontaktowoWci oraz peŽnej automatyzacji, technologie laserowe zyskuj> coraz wiCksze znaczenie aplikacyjne. Vwiatowy przemysŽ juc obecnie w szerokim zakresie wykorzystuje techniki laserowe, a najszersze zastosowanie przemysŽowe w laserowej obróbce materiaŽów maj> lasery staŽe z elementem czynnym krystalicznym – miCdzy innymi najczCWciej wykorzystywane Nd:YAG z krysztaŽem granatu aluminiowo-itrowego domieszkowane neodymem, Yb:YAG lasery z krysztaŽem granatu aluminiowo-itrowego domieszkowane iterbem, wWród których z uwagi na geometriC zastoso- wanego oWrodka czynnego mocna wyrócni5 lasery prCtowe i dyskowe. Ponadto nalecy wymieni5 równiec czCsto stosowane lasery gazowe – np. CO2, lasery diodowe, WwiatŽo- wodowe, czyli wŽóknowe o charakterze pracy wi>zki impulsowej lub ci>gŽej [20-25, 77-83].
WWród najczCWciej stosowanych laserów w incynierii powierzchni wymienia siC lasery diodowe ducej mocy HPDL (ang. High Power Diode Laser). MateriaŽ po obróbce laserowej wykonanej przy ucyciu lasera HPDL wykazuje wŽasnoWci rócni>ce siC od tych wykonanych z ucyciem innych laserów ducej mocy, a w szczególnoWci charakteryzuje siC bardziej jedno- rodnym obszarem przetopienia oraz mniejsz> chropowatoWci> powierzchni. Zalety te wynikaj>
z unikatowych cech lasera HPDL, tj. ducej sprawnoWci, ok. 30-50% (laser o mocy 2,0 kW zucywa Ž>cznie z ukŽadem chŽodzenia lasera 7,5 kW), bardzo wysokiego wspóŽczynnika absorpcji promieniowania, a takce liniowego ksztaŽtu wi>zki promieniowania laserowego.
Ponadto lasery HPDL odznaczaj> siC stosunkowo nisk> cen>, duc> trwaŽoWci> (powycej 10 000 h), nie wymagaj> dodatkowej obsŽugi poza czyszczeniem ukŽadu optycznego, s> Žatwe w obsŽudze i mobilne [77-83]. Obecnie lasery diodowe ducej mocy stosuje siC m.in. do lutowania, hartowania, spawania, przetapiania, stopowania, wtapiania oraz rócnych zastosowaM obróbki powierzchniowej stopów metali, w tym równiec stopów magnezu.
Cieplna obróbka laserowa obejmuje operacje, które prowadzi siC wykorzystuj>c wi>zkC laserow> jako aródŽo energii potrzebnej do nagrzania warstwy wierzchniej obrabianego materiaŽu, w celu zmiany jej struktury dla uzyskania odpowiednich wŽasnoWci mechanicznych, fizycznych lub chemicznych polepszaj>cych trwaŽoW5 eksploatacyjn> obrabianego przedmiotu.
Do tej pory w ramach laserowej obróbki cieplnej powierzchniowej rócnych materiaŽów incynierskich, w tym w szczególnoWci stopów lekkich i stali narzCdziowych, szerokie zastosowanie znalazŽa metoda przetopieniowa LSM (ang. Laser Surface Melting). Podczas przetopienia czCW5 zaabsorbowanej energii cieplnej przenika w gŽ>b materiaŽu, co skutkuje powstaniem ducego gradientu temperatury pomiCdzy ciekŽ> warstw> materiaŽu na powierzchni a rdzeniem. W czasie obróbki laserowej z przetopieniem nastCpuje mieszanie siC ciekŽego metalu na skutek ruchów konwekcyjnych (rys. 3). Ruchy te powstaj> w wyniku rócnicy temperatury wystCpuj>cej miCdzy przetopion> powierzchni> i dnem obszaru przetopionego oraz wskutek nadmuchu gazu osŽonowego i oddziaŽywania wi>zki laserowej. Po przetopieniu i wymieszaniu ciekŽego metalu nastCpuje szybkie krzepniCcie, dziCki istnieniu ducego gradientu temperatury [84, 85].
Hartowanie przetopieniowe laserowe powoduje polepszenie wŽasnoWci eksploatacyjnych:
trybologicznych, zmCczeniowych i antykorozyjnych przy jednoczesnym czCstym pogorszeniu chropowatoWci powierzchni. Podczas przetopienia warstwy wierzchniej materiaŽu mocna uzyska5 strukturC drobnoziarnist> oraz czCWciowe lub caŽkowite rozpuszczenie wystCpuj>cych w niej wydzieleM lub zanieczyszczeM. Szybka krystalizacja sprawia, ce po rozpuszczeniu nie wydzielaj> siC one powtórnie lub tec wydzielaj> siC w drobniejszej postaci. W wyniku tego otrzymuje siC roztwory silnie przesycone.
Rysunek 3. Schemat ruchów konwekcyjnych podczas laserowego przetapiania w pŽaszczyanie równolegŽej do kierunku przemieszczania siC materiaŽu; Vsk – szybkoW5 przetapiania,
Vn – szybkoW5 odprowadzania ciepŽa [84, 85]
Kolejnym aspektem zastosowania laserowej obróbki cieplnej, znajduj>cym wiele mocliwoWci aplikacyjnych w zwiCkszaniu wŽasnoWci ucytkowych materiaŽów incynierskich, w szczególnoWci stali jest stopowanie LSA (ang. Laser Surface Alloying). Stopowanie ciaŽa w stanie staŽym zalecy gŽównie od gradientu temperatury, gradientu stCcenia pierwiastków dyfunduj>cych i od czasu dyfuzji. Dyfuzja jest procesem powolnym i przy milisekundowych czasach oddziaŽywania wi>zki laserowej (4 ms) na materiaŽ praktycznie niezauwacalnym, co daje w efekcie bardzo maŽ> gŽCbokoW5 nasycenia dyfuzyjnego w granicach 1 om. Z tego tec powodu przy obróbce laserowej jedynym sposobem wprowadzania i równomiernego rozmie- szczenia dodatku stopuj>cego w warstwie wierzchniej materiaŽu obrabianego, np. w postaci:
folii, taWmy, pŽatków, powŽoki galwanicznej lub pasty proszkowej jest jego przetopienie z równoczesnym hydrodynamicznym wymieszaniem (rys. 4) [86, 87].
Przy oddziaŽywaniu wi>zki laserowej (ciWnienie wi>zki laserowej), ruchów konwekcyjnych i grawitacyjnych materiaŽy obrabiane topi> siC powoduj>c powstanie ciekŽego jeziorka, w którym nastCpuje intensywne wymieszanie materiaŽów i powstanie charakterystycznej wypŽywki na obrzecu przetopienia (rys. 5).
Rysunek 4. Schemat laserowego przetapiania; 1 – gŽowica lasera; 2 – wi>zka laserowa;
3 – próbka; 4 – przetapiany materiaŽ stopuj>cy; 5 – dysza z gazem;
6 – warstwa stopowana [85]
Cienka warstwa materiaŽu w stanie staŽym stykaj>c siC z roztopionym materiaŽem w jeziorku topi siC w wyniku przewodzenia ciepŽa z k>pieli do ciaŽa staŽego. Na granicy fazy staŽej i ciekŽej pojawia siC bardzo cienka strefa dyfuzyjna, której gruboW5 zwykle nie przekracza 10 m, W niektórych przypadkach skŽadniki stopuj>ce dyfunduj> na gŽCbokoW5 200-300 m, szczególnie ma to miejsce przy dyfuzji w kapilarach fazy ciekŽej po granicach ziarn i bloków w ciele staŽym lub w przypadku dyslokacyjnego przemieszczania siC atomów w wyniku miejscowych odksztaŽceM [81-83]. Morfologia uzyskanej quasi-kompozytowej warstwy odznacza siC duc> jednorodnoWci> oraz prawidŽow> dyspersj> wprowadzonych cz>stek na caŽej gŽCbokoWci przetopienia z wyj>tkiem bardzo cienkiej warstwy nasycenia dyfuzyjnego.
WŽasnoWci stopowanej warstwy wierzchniej, zalecne s> od podŽoca, materiaŽu stopuj>cego oraz od warunków stopowania, jednak niemal zawsze, bogata w skŽadniki stopowe otrzymana warstwa wierzchnia odznacza siC wiCksz> nic podŽoce twardoWci>, wytrzymaŽoWci> zmCczeniow>, lepszymi wŽasnoWciami trybologicznymi i antykorozyjnymi, przy jednoczesnym wzroWcie chropowatoWci, skutkiem czego na elementach po stopowaniu, czCsto wykowywana jest obróbka, maj>ca na celu wygŽadzenie powierzchni.
Stopowanie wykonuje siC przy wiCkszych nic hartowanie gCstoWciach mocy (5x104-106 W/cm2), przy czasach ekspozycji od dziesiCtnych do tysiCcznych czCWci sekundy [81-83]. Istnieje równiec zalecnoW5, ic wraz ze wzrostem gCstoWci mocy lub zmniejszaniem siC
Rysunek 5. Schemat ruchów konwekcyjnych w jeziorku laserowym: a) w przekroju prostopadŽym do kierunku ruchu próbki (lub wi>zki); b) w przekroju równolegŽym do kierunku
ruchu próbki (lub wi>zki) [80, 85]
szybkoWci skanowania wrasta gŽCbokoW5 przetopienia. Przy bardzo ducych gCstoWciach mocy dochodzi do niekontrolowanego odparowania materiaŽu (rys. 6). Zarówno gCstoW5 jak i szybkoW5 skanowania powinny zawiera5 siC w odpowiednim przedziale, albowiem dla za wysokiej gCstoWci mocy wi>zki laserowej lub za niskiej prCdkoWci skanowania, materiaŽ stopowany zaczyna sublimowa5, pozostawiaj>c niewielkie wcery na powierzchni. Jeceli gCstoW5 mocy wi>zki laserowej jest zbyt niska lub szybkoW5 skanowania za wysoka, struktura stopowanej warstwy moce okaza5 siC niejednorodna. Znaczenie ma takce odpowiedni dobór materiaŽu stopuj>cego do podŽoca, ze wzglCdu na temperaturC topnienia i sublimacji, która w celu jednorodnego wymieszania powinna by5 zawarta w w>skim przedziale. Proces stopo- wania charakteryzuje siC równiec wystCpowaniem plazmy w trakcie przetopienia [80-83, 88-90].
Plazma dwojako wpŽywa na przetapianie, z jednej strony ekranuje ona jeziorko przed dalszym pochŽanianiem energii z wi>zki laserowej, przez co hamuje sublimacjC, z drugiej zaW strony poprzez ciWnienie wŽasne doprowadza do wymieszania stopionych skŽadników. Wi>zka laserowa powoduje ponadto powstanie lejkowatego zagŽCbienia w jeziorku ciekŽego metalu.
Rysunek 6. Schemat przebiegu stopowania laserowego a) bez powstawania plazmy b) z powstawaniem plazmy c) ksztaŽtowanie Wciecki laserowej w postaci waŽu [80, 85]
Na granicy ciekŽy metal – plazma utrzymywana jest nieustannie zaburzana, chwiejna równowaga [80]. W celu uregulowania wpŽywu plazmy na jeziorko ciekŽego metalu, stosuje siC rócne technologiczne metody jej aktywacji lub niwelacji. Jedn> z metod ograniczania wpŽywu plazmy na jeziorko ciekŽego metalu jest zdmuchiwanie obŽoku plazmy przez strugC gazu obojCtnego. Wprowadzany gaz (np. argon) czCsto jest dodatkowo podgrzewany, co zapobiega pogarszaniu efektu energetycznego. Natomiast intensyfikowanie wpŽywu plazmy wykonywane jest przy ucyciu zdmuchiwania obŽoku plazmy, ale przy jednoczesnym kierowaniu powtórnym do strefy obróbki odbitego pierwotnie promieniowania laserowego przez ukŽad zwierciadeŽ pŽaskich lub zwierciadlan> czaszC [80-83, 88-90].
RozwiniCciem technologii laserowego stopowania zastosowanej do obróbki powierz- chniowej laserem ducej mocy stali niskowCglowych, stali nisko- i Wredniostopowych, narzCdziowych, celiw, stopów metali lekkich jest technika laserowego wtapiania, predyspo- nowana przede wszystkim do obróbki powierzchniowej materiaŽów niskotopliwych, doskonale nadaj>ca siC do zastosowania w przypadku stopów magnezu, polegaj>ca na dostarczaniu cz>stek wzmocnienia w obszar ciekŽego materiaŽu osnowy, topionego wskutek dziaŽania wi>zki laserowej. MateriaŽ wtapiany moce by5 doprowadzany do ciekŽego jeziorka warstwy prze- topionej w postaci proszków lub drutu (rys. 7). W celu zapobiegania utleniania siC materiaŽu podczas wtapiania, stosowane s> ochronne strumienie gazów obojCtnych, np. argonu lub helu.
Rysunek 7. Schemat laserowego wtapiania [83]
Proces wtapiania realizowany jest przy ucyciu laserów o pracy ci>gŽej, poniewac materiaŽ wzmacniaj>cy moce by5 podawany do strefy przetopieniowej tylko w momencie nagrzewania laserowego, nie wykonuje siC wtapiania w trakcie przerw miCdzy impulsami grzejnymi.
Laserowe wtapianie jest technologi> bardzo zblicon> do technologii laserowego stopowania, z t> rócnic> ce w przypadku wtapiania wystCpuje niewielkie wzbogacenie wytworzonej warstwy wierzchniej pierwiastkami zastosowanego wzmocnienia, poniewac materiaŽ wzma- cniaj>cy ulega jedynie nieznacznemu rozpuszczeniu w osnowie warstwy quasi-kompozytowej lub zupeŽnie siC nie rozpuszcza [80-83, 88-90]. Powierzchnia uzyskana przez wtapianie jest stosunkowo gŽadka, a przez uzyskanie wymiarów podobnych do wymiarów koMcowych, obróbka wykoMczaj>ca ograniczona jest zwykle do minimum. Metod> wtapiania laserowego, zalecnie od skŽadu chemicznego materiaŽu stopuj>cego, mocna uzyskiwa5 warstwy gradientowe, kompozytowe, metaliczne lub ceramiczne, które to wykazuj> lepsze wŽasnoWci od materiaŽu podŽoca.
PostCp jaki siC dokonuje w zakresie wytwarzania i zwiCkszania trwaŽoWci eksploatacyjnej elementów konstrukcyjnych i narzCdzi, znajduj>cych zastosowanie w rócnych dziedzinach cycia dokonuje siC w gŽównej mierze dziCki coraz powszechniejszemu wykorzystaniu technik incynierii powierzchni. Koncepcja wytworzenia produktów o optymalnych wŽasnoWciach zarówno w strefie rdzenia jak i warstwy wierzchniej jest mocliwa dziCki wykorzystaniu potencjaŽu, jaki daj> nowoczesne metody nanoszenia powŽok, w tym w szczególnoWci metody fizycznego (PVD) i chemicznego (CVD) osadzania z fazy gazowej. W tym celu konieczne jest opracowanie technologii pozwalaj>cej na otrzymanie powŽok o wysokich wŽasnoWciach mechanicznych i ucytkowych przy jednoczesnej minimalizacji kosztów i uci>cliwoWci dla Wrodowiska. Jest to nowoczesny kierunek poszukiwaM technologicznych, atrakcyjny badawczo i o miCdzynarodowym zasiCgu. Technologia PVD lub CVD uszlachetniania powierzchni materiaŽów incynierskich, w tym równiec metali lekkich wydaje siC by5 odpowiedni>
alternatyw> dla technologii laserowego przetapiania, wtapiania i/lub stopowania powierzchni stopów magnezu, ze wzglCdu na liczne zalety, jakimi siC charakteryzuj>.
WWród najwacniejszych silnych stron, jakimi charakteryzuj> siC techniki fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej nalecy wymieni5 miCdzy innymi mocliwoW5 uzyskania caŽej gamy nowej generacji materiaŽów wysokiej jakoWci o unikatowych wŽasnoWciach dla WciWle okreWlonych zastosowaM, mocliwoW5 otrzymania powŽok zŽoconych (wieloskŽadnikowe, wielowarstwowe, wielofazowe, gradientowe, kompozytowe, metastabilne),
duca wydajnoW5 procesu przy zachowaniu wysokiego poziomu ekologicznej czystoWci, ewentualnoW5 stosowania jako materiaŽu wyjWciowego czystych metali, gazów i ich mieszanin, wyj>tkowe wŽasnoWci dekoracyjne, ŽatwoW5 automatyzacji dostosowanej do produkcji seryjnej [46-54, 91-112].
Metodami CVD wytwarza siC na powierzchni obrabianego przedmiotu najczCWciej twarde i odporne na Wcieranie, a takce na korozjC, powŽoki wCglików, azotków, wCglikoazotków oraz tlenków ze skŽadników atmosfery gazowej. Wytwarzanie warstw klasyczn> metod> CVD nastCpuje w szczelnym reaktorze w wyniku niejednorodnych katalizowanych chemicznie i fizycznie reakcji na powierzchni materiaŽów pokrywanych, w temperaturze 900-1100°C i przy ciWnieniu 1·105-1,35·103 Pa [85, 105, 107, 109-112]. Proces jest wykonywany w aktywnych atmosferach gazowych, zawieraj>cych zwykle lotne halogenki pierwiastka dyfunduj>cego oraz wCglowodoru, azotu, wodoru lub gazu obojCtnego, np. argonu. W wyniku reakcji chemicznej zachodz>cej na powierzchni metalu wydzielaj> siC atomy ze zwi>zku. Drugi skŽadnik warstwy pochodzi z podŽoca lub z atmosfery. Zarówno obecny jak i przyszŽy rozwój metod chemicznego osadzania z fazy gazowej polega na modyfikacjach rozwi>zaM tradycyjnych w kierunku obnicenia temperatury procesu nawet ponicej 200°C. NajczCstszymi sposobami s>
obnicenie ciWnienia, zastosowanie wyŽadowania jarzeniowego lub pr>dów wysokiej czCstotli- woWci, aktywacja elektryczna Wrodowiska gazowego w metodach wspomaganych lub aktywo- wanych plazm> niskotemperaturow>, jak równiec dobór odpowiednich atmosfer gazowych i stosowanie zwi>zków o nicszej temperaturze reakcji chemicznych [85, 105, 107, 109-112].
Najbardziej atrakcyjne i perspektywiczne wydaj> siC by5 metody nanoszenia cienkich warstw z wykorzystaniem plazmy niskotemperaturowej PACVD (ang. Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) i PECVD (ang. Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) umocliwiaj>ce osadzanie nierównowagowych faz oraz lepsz> kontrolC nad skŽadem chemicznym i czystoWci> pokry5 w porównaniu do klasycznych technik CVD, wytwarzanie twardych warstw powierzchniowych lub warstw wykazuj>cych specjalne wŽasnoWci:
powierzchniowe i objCtoWciowe (np. ochronne, antykorozyjne, trybologiczne) [105, 107, 110-115] (rys. 8). Nisk> temperaturC osadzania warstw w metodzie PACVD uzyskuje siC dziCki wzbudzeniu przy pomocy plazmy cz>stek mieszaniny gazowej do energii zgodnej z termicznym wzbudzeniem [105, 107, 110-115]. Obnicenie ciWnienia zwiCksza dyfuzyjnoW5 gazów, co powoduje szybsze powstawanie warstwy dyfuzyjnej przy mniejszych ciWnieniach cz>stkowych substratów i w nicszej temperaturze. Ponadto znaczne obnicenie temperatury
nakŽadania cienkich warstw metod> PACVD umocliwia zastosowanie, dotychczas niemocliwych do wykorzystania w technice CVD materiaŽów podŽoca, w tym równiec odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn, dla których temperatura chemicznego osadzania z fazy gazowej nie powinna przekracza5 180°C.
Metoda PACVD wykorzystywana jest czCsto do nakŽadania powŽok na bazie wCgla, a w szczególnoWci diamentopodobnych powŽok wCglowych DLC (ang. Diamond Like Carbon).
PowŽoki wCglowe DLC charakteryzuj> siC struktur> najczCWciej amorficzn>, lecz wykazuj>
równiec liczne cechy naturalnego diamentu. Diamentopodobne powŽoki wCglowe DLC stanowi>
mieszaninC amorficznego lub drobnokrystalicznego wCgla o hybrydyzacji elektronów sp3, sp2 sp1. O udziale fazy krystalicznej w powŽoce DLC decyduje dobór metody i warunków jej nano- szenia [85]. Faza sp2 zapewnia powŽokom niski wspóŽczynnik tarcia i dobre przewodnictwo elektryczne, natomiast o obojCtnoWci chemicznej, wysokiej twardoWci i odpornoWci na zucycie trybologiczne decyduje udziaŽ fazy sp3. Dlatego tec cienkie diamentopodobne powŽoki wCglowe DLC wykazuj> wysok> twardoW5, duc> odpornoW5 korozyjn> i trybologiczn>, a takce cechuj>
siC duc> rezystywnoWci>. Z trybologicznego punktu widzenia interesuj>ca jest przydatnoW5 powŽok DLC na skojarzenia Wlizgowe pracuj>ce w warunkach ograniczonego smarowania oraz tarcia technicznie suchego [114-120]. W zalecnoWci od warunków osadzania warstw DLC
Rysunek 8. Procesy zachodz>ce w technologiach z wykorzystaniem plazmy niskotemperaturowej PACVD [85]
mocna wytworzy5 powŽoki o rócnych wŽasnoWciach elektrycznych, pocz>wszy od przezro- czystych izolatorów, a skoMczywszy na czarnych przewodnikach. Wymienione powycej wŽasnoWci diamentopodobnych powŽok wCglowych DLC decyduj> o ich szerokich mocliwoWciach aplikacyjnych, tj.: do pokrywania krawCdzi tn>cych narzCdzi do szybkiego ksztaŽtowania na sucho drewna oraz aluminium, w silnikach samochodów wyWcigowych oraz w silnikach nowoczesnych motocykli sportowych, w medycynie, zarówno w implantach medycznych, jak i do produkcji instrumentarium medycznego, w sprzCcie komputerowym, przy wytwarzaniu mikrolamp rentgenowskich [85].
Metody fizycznego osadzania powŽok z fazy gazowej PVD (ang. Physical Vapour Deposition) bazuj>ce na zjawiskach fizycznych (kondensacja skŽadników plazmy, odparo- wanie, rozpylanie katodowe w prócni, jonizacja gazów i par metali) pod obniconym ciWnieniem 10-10-5 Pa, stanowi> obecnie jedne z najczCWciej stosowanych technik incynierii powierzchni wytwarzania twardych powŽok odpornych na zucycie trybologiczne i korozyjne [85]. Nanoszenie powŽok metod> PVD moce by5 wykonywane na podŽocu zimnym lub podgrzanym, co jedno- czeWnie umocliwia pokrywanie elementów, np. ze stopów magnezu bez obawy o spadek ich wŽasnoWci. PoŽ>czenie powŽoka-podŽoce ma charakter dyfuzyjno-adhezyjny, o czym Wwiadczy stCcenie pierwiastków w osnowie i w powŽoce, zmieniaj>ce siC w strefie przejWciowej o gruboWci 1-2 m i jest tym silniejsze, im bardziej czysta jest powierzchnia pokrywana [121].
CzystoW5 powierzchni podŽoca przed osadzaniem powŽoki zapewnia chemiczne przygotowanie powierzchni (oczyszczenie zgrubne) oraz etap czyszczenia zjonizowanymi cz>steczkami gazu obojCtnego padaj>cymi na podŽoce z duc> energi> kinetyczn> i wybijaj>cymi atomy zanieczyszczeM, tzw. trawienie jonowe. DziaŽanie takie wpŽywa równiec na zwiCkszenie temperatury i aktywacjC podŽoca bezpoWrednio przed osadzaniem powŽoki [121-123]. PowŽoka w metodach PVD powstaje ze strumienia zjonizowanej plazmy na niezbyt gor>cym podŽocu.
Energia jonów bombarduj>cych podŽoce, powinna wynosi5 od kilku do kilkudziesiCciu elektronowoltów. Jest to uwarunkowane zakresem energii wi>zania atomów na powierzchni.
Duca rócnorodnoW5 metod PVD stosowanych obecnie uzalecniona jest od wielu czynników, tj. rozwi>zaM konstrukcyjnych stosowanych urz>dzeM jak i zachodz>cych w nich, w trakcie procesu zjawisk fizykochemicznych. WWród wielu uwarunkowaM, które wpŽywaj>
na charakterystykC poszczególnych metod PVD nalecy wymieni5: umiejscowienie strefy otrzymywania i jonizowania par osadzonego materiaŽu; sposoby otrzymywania par osadzanych metali lub zwi>zków (odparowanie, sublimacjC, rozpylanie), nanoszenie par materiaŽu
(rozpylanie (ang. sputtering – S)), naparowanie (ang. evaporation – E), napylanie (ang. ion plating – IP); sposoby intensyfikacji osadzania warstw (metody reaktywne, zwi>zane ze stoso- waniem gazów reaktywnych, metody aktywowane, z aktywowaniem jonizacji gazów i par metali przez dodatkowe zjawiska, metody mieszane reaktywno-aktywowane, w których mocliwe s> rócne kombinacje podanych zjawisk fizycznych) [85, 107, 124]. Dodatkowo w zaawanso- wanych metodach PVD stosowane jest chemiczne wspomaganie kondensacji par metali poprzez wprowadzenie do komory roboczej gazów reaktywnych, które stanowi> gazowe substraty dla wytwarzanych powŽok [125].
WWród wielu obecnie stosowanych technik fizycznego osadzania z fazy gazowej na szczególn> uwagC zasŽuguje metoda katodowego odparowania Žukowego CAD (ang. Cathodic Arc Deposition), zwana równiec CAE (ang. Cathodic Arc Evaporation). Metoda CAE jest obecnie jedn> z najczCWciej wykorzystywanych technik PVD do osadzania cienkich powŽok w praktyce przemysŽowej [126-128]. W metodzie tej pary skŽadnika metalicznego uzyskuje siC poprzez lokalne odparowanie niewielkich obszarów od kilku do kilkunastu mm2, podgrzanych do temperatury kilku tysiCcy stopni Celsjusza. `ródŽem zjonizowanych par metali jest chŽodzona wod> katoda wykonana z metalicznego skŽadnika materiaŽu powŽoki, poddawanego intensywnej ablacji poprzez silnopr>dowe, niskociWnieniowe wyŽadowanie Žukowe, które zachodzi pomiCdzy pŽask> lub przestrzenn> katod>, a pierWcieniow> anod> (rys. 9).
Rysunek 9. PrzykŽadowy schemat aródŽa par wykorzystywany w metodzie Žukowej [105, 1 28]
W niektórych rozwi>zaniach konstrukcyjnych anodC moce stanowi5 równiec caŽa komora prócniowa. Plazma otrzymana w wyŽadowaniu Žukowym jest silnie zjonizowana, a stopieM jonizacji zalecy od rodzaju odparowanego materiaŽu i mieWci siC w granicach 30-100%.
Pokrywane podŽoce jest spolaryzowane ujemnie napiCciem okoŽo 100-200 V co wpŽywa na ukierunkowanie i zwiCkszenie energii kinetycznej jonów [121, 123, 127, 129, 130].
Charakterystyczn> cech> tej metody jest wysoka energia jonów i atomów do 150 eV oraz bardzo ducy stopieM jonizacji plazmy [85]. W celu osadzenia powŽoki na trójwymiarowym substracie konieczne jest zastosowanie uchwytu obrotowego oraz kilku aródeŽ Žukowych pozwalaj>cych na zminimalizowanie tak zwanego efektu cienia (nierównomierne pokrywanie wszystkich powierzchni materiaŽu podŽoca przez warstwC osadzan>). MetodC katodowego odparowania Žukiem elektrycznym mocna stosowa5 do szerokiego spektrum materiaŽów podŽoca, tj.: rócnych gatunków stali, materiaŽów kompozytowych na osnowie metalowej, ceramiki incynierskiej, metali niecelaznych, stopów lekkich, w tym równiec omawianych w tej publikacji odlewniczych stopów Mg-Al-Zn.
PowŽoki otrzymywane w procesie PVD mocna podzieli5 na dwie podstawowe grupy [85, 121]:
‚ proste, zwane powŽokami jednowarstwowymi lub monowarstwowymi, skŽadaj>ce siC z jednego materiaŽu (metalu, np. Al, Cr, Cu, lub fazy, np. TiN, TiC),
‚ zŽocone, skŽadaj>ce siC z wiCcej nic jednego materiaŽu, przy czym materiaŽy te zajmuj>
rócne pozycje w tworzonej powŽoce.
O ile w przypadku powŽok jednowarstwowych trudno mówi5 o skomplikowanym schemacie konfiguracji pod wzglCdem skŽadu chemicznego i iloWciowego, o tyle w przypadku powŽok zŽoconych mocliwoWci jest wiele. W szczególnoWci do powŽok zŽoconych nalecy zaliczy5 powŽoki wieloskŽadnikowe, wielowarstwowe, wielofazowe, gradientowe, kompozytowe i metastabilne.
Na wŽasnoWci mechaniczne oraz eksploatacyjne powŽok mocna wpŽywa5 przez odpowiedni dobór skŽadu chemicznego warstwy wierzchniej oraz przez optymalizacjC warunków jej nanoszenia. Problematyka badawcza dotycz>ca wytwarzania powŽok stanowi jeden z wacniej- szych kierunków rozwoju incynierii powierzchni, gwarantuj>cych otrzymanie powŽoki o wyso- kich wŽasnoWciach mechanicznych i ucytkowych. Nadanie nowych cech eksploatacyjnych powszechnie stosowanym materiaŽom bardzo czCsto uzyskuje siC poprzez nanoszenie powŽok prostych jednowarstwowych, jednoskŽadnikowych metodami PVD. Dokonuj>c wyboru materiaŽu na powŽoki napotyka siC na barierC wynikaj>c> z faktu, ce wielu wŽasnoWci oczeki- wanych od idealnej powŽoki nie mocna jednoczeWnie uzyska5. PrzykŽadowo, wzrost twardoWci
i wytrzymaŽoWci powoduje spadek ci>gliwoWci i przyczepnoWci powŽoki do podŽoca.
JednoczeWnie dochodz> jeszcze zrócnicowane wymagania dotycz>ce wybranych obszarów powŽoki, czCsto koliduj>cych ze sob> w zalecnoWci od zastosowania. W celu uzyskania powŽoki o optymalnych wŽasnoWciach nalecy odpowiednio ksztaŽtowa5 wŽasnoWci powŽok w jej trzech strefach: powierzchni, warstwie Wrodkowej i warstwie przejWciowej pomiCdzy podŽocem a powŽok> (rys. 10). Dlatego tec dobór materiaŽu powŽoki odpowiednio skorelowanej z podŽocem czCsto nastrCcza wielu problemów wdroceniowych.
Ponadto wzrastaj>ce oczekiwania rynkowe dotycz>ce podwycszenia trwaŽoWci trybologicznej elementów pokrytych powŽokami PVD generuj> dodatkowe wymagania dotycz>ce odpornoWci na Wcieranie nanoszonych powŽok i ich kontaktu z twardymi materiaŽami (rys. 11).
BezpoWrednio naracona na kontakt z innymi materiaŽami zewnCtrzna powierzchnia styku powŽoki powinna charakteryzowa5 siC maŽ> reaktywnoWci>. Od Wrodkowej czCWci powŽoki wymagana jest zarówno duca twardoW5 jak i dobra ci>gliwoW5 umocliwiaj>ca redukcjC naprCceM wŽasnych. Ostatni obszar, tzn. strefa kontaktu powŽoki z materiaŽem podŽoca powinna zapewnia5 przede wszystkim dobr> przyczepnoW5, któr> mocna uzyska5 np. przez minimalizacjC naprCceM oraz identyczny charakter wi>zaM powŽoki i podŽoca.
Rysunek 10. Wymagania dotycz>ce wŽasnoWci powŽok na ich przekroju [131]
Rysunek 11. Wymagania oraz mechanizmy zucycia powŽok w zastosowaniach trybologicznych [121, 131]
Rysunek 12. Metody badawcze cienkich powŽok PVD i CVD
Nalecy jednak pamiCta5, ce najlepszym sposobem na pokonanie wystCpuj>cych trudnoWci technologicznych i aplikacyjnych jest ci>gŽy rozwój w zakresie badaM i wdroceM. Na wiod>cych corocznych Wwiatowych kongresach poWwiCconych tematyce powŽok PVD i CVD mocna zauwacy5 rosn>cy trend badawczy dotycz>cy warstw powierzchniowych o strukturze gradien- towej zastCpuj>cych powŽoki starszej generacji, np. proste – monowarstwowe oraz wielo- warstwowe. WieloskŽadnikowe i hybrydowe-gradientowe powŽoki nanoszone metod> fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej stanowi> obecnie jedn> z bardziej interesuj>cych oraz intensywnie poszukiwanych technologii ochrony i modyfikacji powierzchni produktów.
Wynika to gŽównie z faktu, ce posiadaj> one lepsze wŽasnoWci w porównaniu do wiCkszoWci powŽok konwencjonalnych oraz powŽok starszej generacji. PowŽoki o strukturze gradientowej s> zdolne do zachowania niskiego wspóŽczynnika tarcia (powŽoki samosmaruj>ce) w wielu Wrodowiskach pracy, przy zachowaniu ducej twardoWci i zwiCkszonej odpornoWci korozyjnej oraz trybologicznej.
Wytworzenie na stopach metali lekkich powŽoki multifunkcjonalnej o dobrej przyczepnoWci do podŽoca poprzez zastosowanie gradientowej warstwy przejWciowej pomiCdzy materiaŽem podŽoca a warstw> wŽaWciw> zwiCkszaj>c> przyczepnoW5 i ograniczaj>c> naprCcenia zakŽada wykorzystanie synergizmu wŽasnoWci materiaŽowych poszczególnych stref, dlatego istotne jest okreWlenie krytycznych wartoWci wŽasnoWci eksploatacyjnych powŽok w zalecnoWci od Wrodowiska i warunków pracy ukŽadu aerologicznego.
W celu poznania struktury i wŽasnoWci powŽok nanoszonych w procesie fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej stosowane s> szczególnie wysublimowane metody badawcze, które oprócz tego ce zapewniaj> precyzyjne okreWlenie i scharakteryzowanie interesuj>cych szczegóŽów budowy krystalicznej powŽok, to dodatkowo umocliwiaj> dalsz>
poprawC procesu nakŽadania warstw oraz poznania przyczyn ich niszczenia lub uszkodzeM, ze wzglCdu na siln> korelacjC zachodz>c> pomiCdzy struktur> powŽoki a jej wŽasnoWciami.
Szczególnie wacnym wydaje siC by5 poznanie topografii powierzchni powŽok, ich morfologii, okreWlenie wielkoWci i ksztaŽtu ziarna, defektów struktury, tekstury, orientacji krystalo- graficznej oraz analiza jakoWciowa i iloWciowa faz wykonane przy ucyciu metod badawczych, wWród których najwacniejsze s> badania metodami rentgenografii dyfrakcyjnej (XRD), badania w transmisyjnym (TEM) oraz skaningowym (SEM) mikroskopie elektronowym, analiza powierzchni wykonana przy ucyciu mikroskopu siŽ atomowych (AFM) i skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Nierozerwalnie wi>ce siC z powycszym analiza skŽadu
chemicznego pozwalaj>ca na identyfikacjC pierwiastków oraz okreWlenie ich stCcenia zarówno na powierzchni jak i w gŽ>b materiaŽu, wykorzystuj>c np. metodC spektrometrii elektronów Auger`a, badania rentgenowskim spektroskopem fotoelektronowym (XPS) lub spektroskopem optycznym wyŽadowania jarzeniowego (GDOS) (rys. 12).
3. Zakres i teza pracy
3.1. Ustalenie zakresu pracy metodami badaM materiaŽoznawczo- heurystycznych
We wstCpnym etapie planowania zakresu badawczego niniejszej rozprawy, w kontekWcie koniecznoWci wyboru szczegóŽowej tematyki badawczej z bardzo obszernego zakresu, posŽucono siC nowatorsk> analiz> wyboru technologii wykorzystuj>c> do zŽoconej oceny macierze dendrologiczne [2-4, 132-138]. Ponadto w celu potwierdzenia sŽusznoWci wyboru materiaŽu badawczego (podŽoca) opisywanego w niniejszej pracy, jakim byŽy odlewnicze stopy magnezu Mg-Al-Zn, wykonano analizC wyboru materiaŽu podŽoca stosuj>c macierz dendrologiczn>, rozpatruj>c jedynie trzy grupy najczCWciej stosowanych materiaŽów konstrukcyjnych, mianowicie stal, stopy aluminium i opisywane stopy magnezu.
Z uwagi na ograniczenia zarówno sprzCtowe jak i czasowe, nierealne jest objCcie szczegóŽowymi badaniami, zwŽaszcza eksperymentalnymi, wszystkich mocliwych rozwi>zaM, dlatego tak wacnym aspektem na etapie planowania eksperymentu wydaje siC by5 wyko- rzystanie istniej>cych metod zarz>dczych w tym równiec, koncepcji metodologicznej zintegrowanego komputerowo prognozowania rozwoju (wg. A.D. DobrzaMskiej-Danikiewicz), w celu dokonania wyboru w peŽni zobiektywizowanego. O celowoWci zastosowanej techniki moce Wwiadczy5 fakt, ce z powodzeniem zostaŽa ona zaimplementowana w rócnych obszarach incynierii materiaŽowej, w tym równiec incynierii powierzchni, tj. do analizy: grup protez stomatologicznych, w tym protez konwencjonalnych klasycznych i podWcielanych miCkkim materiaŽem, protez utrzymywanych na jednym lub dwóch implantach rócni>cych siC ponadto typem zŽ>czy [139]; porównawczej postaci geometrycznych wewn>trzustrojowych protez przeŽyku [140]; perspektyw zwi>zanych z wytwarzaniem, charakterystyk> oraz modelowaniem struktury, wŽasnoWci i technologii wytwarzania nowej generacji wysoko innowacyjnych rozwi- niCtych porowatych i kompozytowych funkcjonalnych materiaŽów nanostrukturalnych z nano- wŽóknami [141]; obróbki laserowej stopowych stali narzCdziowych do pracy na gor>co;
fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) powŽok na stopach miedzi z cynkiem; wybranych technologii obróbki cieplno-chemicznej stali; nakŽadania powŽok PVD/CVD na spiekane materiaŽy narzCdziowe; teksturowania krzemu polikrystalicznego do celów fotowoltaiki;
wytwarzania spiekanych materiaŽów gradientowych klasyczn> metod> metalurgii proszków;
wybranych technologii modyfikacji polimerowych warstw wierzchnich [85].
